基于玻璃化转变理论的植物基人造肉挂糊油炸品质调控与结构演变研究

《Food and Bioproducts Processing》：Relationship between glass-transition and textural evolution of batter-coated meat analog

为阐明玻璃化转变(Tg/Ts)对植物基人造肉(MA)挂糊油炸产品质构演变的影响规律，研究人员通过系统研究不同糊料配方(小麦粉WB/大米粉RB)和油炸时间(2/4/6 min)对产品热机械性能、微观结构和质构特性的影响，发现Tg和Ts与油炸时间、孔隙率呈正相关，与水分含量呈负相关，共同决定了产品硬度、脆性和酥脆度，为低脂油炸食品的品质设计与货架期调控提供了理论基础。

　　

想象一下，你手中有一块金黄酥脆的炸鸡排，咬下去时那“咔嚓”一声的脆响和内部多汁的口感，无疑是油炸美食的灵魂所在。然而，随着健康饮食和可持续发展的理念日益深入人心，以植物蛋白为主要原料的“人造肉”正迅速崛起，成为替代传统动物肉制品的新宠。消费者不仅希望它们营养、环保，还期待在烹饪后能复刻出与传统油炸肉类相似、甚至更佳的口感体验。这其中，为食材“挂糊”再下锅油炸，是赋予其诱人酥脆外壳的关键工艺。但一个棘手的难题也随之浮现：许多挂糊油炸的植物肉产品在出锅后不久，其迷人的酥脆口感就会迅速消失，变得疲软、有韧性，严重影响食用体验。这背后的科学原因是什么？食品科学家们将目光投向了材料科学中的一个核心概念——玻璃化转变。

简单来说，许多非晶态食品材料（如油炸后的面糊外壳）在温度变化时，会经历从一种坚硬、脆性的“玻璃态”向柔软、有弹性的“橡胶态”的转变，发生转变的临界温度即为玻璃化转变温度(T_g)。T_g被认为是控制食品质构稳定性的关键“开关”。如果储存温度高于产品的T_g，分子运动加剧，结构就容易软化、塌陷。然而，以往关于玻璃化转变的研究多集中在马铃薯、谷物等传统淀粉基食品，对于新兴的植物基人造肉挂糊油炸体系，其玻璃化转变行为如何，又如何精确影响其从“硬”到“软”、从“脆”到“韧”的质构演变，尚缺乏系统认知。为了破解这一品质调控密码，由Md. Hafizur Rahman Bhuiyan、Nushrat Yeasmen和Michael Ngadi组成的研究团队，在《Food and Bioproducts Processing》上发表了一项深入研究，系统揭示了糊料配方和油炸工艺如何通过调控玻璃化转变，最终决定了植物肉油炸产品的“酥脆命运”。

为了回答上述问题，研究团队综合运用了多种先进的物性分析技术。首先，他们以大豆分离蛋白(SPI)和小麦面筋蛋白(WG)为主要原料制备了植物基人造肉(MA)核心，并分别用小麦粉(WB)、大米粉(RB)及其混合粉(RWB)配制面糊进行挂糊，随后在180°C的菜籽油中分别油炸2、4、6分钟。在表征方面，热分析技术：采用差示扫描量热法(DSC)测定样品外壳的热学玻璃化转变温度(T_g)。机械性能分析：利用动态机械热分析(DMTA)测定机械玻璃化转变温度(T_s)，并获取储存模量(E′)、损耗模量(E″)等参数。质构与结构分析：通过质构分析仪的穿刺/压缩测试评估外壳的硬度、脆性和酥脆度；采用X射线显微断层扫描(μCT)对样品内部微观结构进行三维成像，定量分析孔隙率(%)和平均孔径(μm)。成分分析：对油炸后样品外壳的水分和脂肪含量进行了测定。

3.1. 热玻璃化转变

研究结果显示，所有油炸面糊外壳的T_g值均处于零下低温范围（-20°C至-24°C）。这主要归因于水分和油脂的“增塑剂”效应，即它们能增加高分子链的自由体积和移动性，从而降低T_g。研究发现，糊料配方显著影响T_g：小麦粉基(WB)面糊的T_g低于大米粉基(RB)面糊。这可能是由于小麦粉中的面筋蛋白能更强地束缚水分，而淀粉体系中水分迁移性更高，导致了T_g的差异。此外，挂糊降低了产品的热稳定性：挂糊样品的T_g普遍低于未挂糊的对照样品(NC)，表明常用的低脂挂糊工艺可能会使产品在后期储存中更早地进入不稳定的橡胶态。

3.2. 机械玻璃化转变

通过DMTA测定的机械玻璃化转变温度(T_s)同样为负值，且T_s值始终高于对应的T_g值。这表明材料机械性能（如弹性）的变化晚于热学性能的变化，其机械稳定性在温度升高时能维持更久。与T_g类似，WB面糊的T_s也低于RB面糊，进一步说明RB面糊形成的涂层具有更好的机械稳定性。

3.3. 油炸与玻璃化转变的关系

油炸时间(FT)与T_g/T_s呈显著正相关。随着油炸时间延长，样品水分流失加剧，内部结构更加密实，导致玻璃化转变温度升高。这种效应在持水性更强的WB面糊中更为明显。

3.4. 玻璃化转变与化学、结构及质构性质的关系

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  与成分的关联：T_g和T_s与外壳水分含量(CrM)呈负相关，与脂肪含量(CrF)和微观孔隙率(CrP)呈正相关。水分是主要的增塑剂，而油脂在特定条件下也表现出增塑作用。较高的孔隙率通常对应更高的T_g/T_s。
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  与质构的关联：T_g和T_s与表征硬度的最大破断力(MF)、表征酥脆度的最大力点斜率(S)呈正相关，与表征脆性/延展性的最大力点位移(MD)呈负相关。这意味着更高的玻璃化转变温度通常对应着更硬、更脆、更酥脆的质构。例如，孔隙率更高、水分更低、T_g/T_s值也更高的RB面糊样品，其硬度、脆性和酥脆度均优于WB面糊样品。
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  微观结构证据：μCT图像清晰显示，RB面糊涂层具有比WB涂层更高的孔隙率和更大的平均孔径，这与它们更优越的质构和更高的T_g/T_s相吻合。
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  贮藏过程中的质构演变：在25°C室温下放置30分钟后，不同面糊产品的质构变化趋势不同。RB面糊样品的硬度和脆性有所增加（可能与淀粉回生有关），而WB面糊样品的各项质构参数均下降，变得更软、更韧。这直接印证了，在高于其负值T_g/T_s的室温下储存，产品会从玻璃态向橡胶态转变，导致质构劣化。

本研究得出结论，糊料配方和油炸时间是调控植物基人造肉挂糊油炸产品玻璃化转变行为及其最终质构的关键杠杆。研究首次在该体系中系统比较并建立了热学T_g（DSC测定）与机械T_s（DMTA测定）的关联，发现T_s恒高于T_g。水分和油脂作为增塑剂，导致了产品在室温下即处于橡胶态的风险，这是其质构在储存期不稳定的根本原因。延长油炸时间可通过降低水分、增加孔隙率来提升T_g/T_s，从而改善产品的硬度、脆性和酥脆度。其中，大米粉基(RB)面糊因其更高的T_g/T_s和更有利的微观结构，能提供更稳定、更酥脆的质构体验。

这项研究的意义重大。它首次将玻璃化转变理论系统应用于新兴的植物基人造肉挂糊油炸体系，填补了该领域的知识空白。研究成果不仅为食品科学家和工程师提供了一套预测和优化产品质构的理论框架与实验方法（通过调控配方和工艺来“设计”目标T_g/T_s），也为食品工业开发兼具低脂健康属性与持久酥脆口感的高品质植物基油炸产品提供了直接的科学指导。最终，这项从微观分子移动到宏观感官质构的深入研究，将有助于提升植物肉产品的整体消费体验，推动其更广泛地被市场接受。